KR102267515B1

KR102267515B1 - 촉각 감지 시스템

Info

Publication number: KR102267515B1
Application number: KR1020200003229A
Authority: KR
Inventors: 오선종; 임현의; 정영도; 김성기
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-06-21

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 감지 시스템은, 제 1 외력에 의해 제 1 압력이 발생되는 제 1 수신부, 및 제 2 외력에 의해 제 2 압력이 발생되는 제 2 수신부를 포함하는 촉각 수신기; 상기 촉각 수신기와 이격 배치되며, 상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력을 전달 받아서 상기 제 1 외력 및 상기 제 2 외력을 감지하는 촉각 감지기; 및 상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력이 상기 촉각 감지기에 전달되도록 상기 촉각 수신기와 상기 촉각 감지기 사이를 연결하는 연결부;를 포함하며, 상기 제 2 수신부는 상기 제 2 외력을 선택적으로 수신한다.

Description

촉각 감지 시스템 {TACTILE SENSING SYSTEM}

본 발명의 촉각 감지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원거리에서 측정할 수 있는 촉각 감지 시스템에 관한 것이다.

접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방 형 촉각 센서는 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 로봇이나 생체 이식형 팔과 다리 등에 사용되고, 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.

일반적으로 현재 개발된 촉각 센서는 외부에서 전달되는 응력이 직접적으로 센서 또는 센서 전극에 전달되어 변형에 의한 저항 신호 또는 전기용량의 변화 등으로 감지하게 된다.

이러한 촉각 센서는 외력에 의한 이력 현상, 노이즈 발생 등에 의한 신호 재현성 및 안정성에 문제가 발생될 수 있다. 즉, 외부 환경에 의한 영향을 받기 때문에, 물속과 같은 극한환경에서는 정밀한 촉각을 감지하기가 어렵다.

특히, 유체의 압력을 기반으로 한 촉각 센서의 경우, 유체가 주위 환경(압력, 온도)의 영향을 크게 받기 때문에, 주위 환경의 정보를 확보하거나, 측정값을 보정하기 위한 추가적인 장치 등이 필요한 문제가 있다.

또한, 원전 등과 같이 방사성 물질로 오염된 구역에서는 방사선 노출로 인한 손상이나 오염의 문제도 발생할 수 있다.

대한민국 등록특허공보 제1980224호

본 발명의 일 측면은, 외부 환경에 의한 영향을 보정(보상: compensation) 및 교정(calibration)할 수 있는 촉각 감지 시스템을 제공하고자 한다.

상기 제 1 수신부는, 내부에 제 1 공간을 가지고, 일측에 제 1 개방면이 형성되며, 타측에 제 1 압력 토출구가 형성된 제 1 수신 챔버; 상기 제 1 개방면을 밀폐하며 탄성을 가지는 제 1 수신 멤브레인; 및 접촉을 통해 상기 제 1 외력을 수신하도록 상기 제 1 수신 멤브레인의 외면에 부착되어 외부로 돌출된 제 1 접촉 부재를 포함할 수 있다.

상기 제 2 수신부는, 상기 제 1 공간과 동일한 부피의 제 2 공간을 가지고, 일측에 제 2 개방면이 형성되며, 타측에 제 2 압력 토출구가 형성된 제 2 수신 챔버; 상기 제 2 개방면을 밀폐하고 탄성을 가지는 제 2 수신 멤브레인; 및 상기 제 2 수신 멤브레인을 외부로부터 개폐 가능한 개폐 커버를 포함할 수 있다.

상기 제 1 수신 챔버 및 상기 제 2 수신 챔버는, 일체로 형성되고, 강성을 가진 격벽에 의하여 상기 제 1 공간과 상기 제 2 공간이 구획될 수 있다.

상기 제 2 수신부는, 상기 제 2 수신 멤브레인의 외면에 부착되어 외부로 돌출된 제 2 접촉 부재를 더 포함하고, 상기 개폐 커버는, 상기 제 2 접촉 부재를 외부로부터 개방 및 밀폐시킬 수 있다.

상기 촉각 감지기는, 내부 공간을 가지되, 일측에 상기 제 1 압력 토출구와 연통되는 제 1 압력 유입구가 형성되고, 타측에 상기 제 2 압력 토출구와 연통되는 제 2 압력 유입구가 형성되는 감지 챔버; 및 상기 내부 공간으로 유입된 상기 제 1 압력 및 제 2 압력을 동시에 측정하는 단일의 센서를 포함할 수 있다.

상기 촉각 감지기는, 상기 감지 챔버의 내부 공간을 상기 제 1 압력 유입구가 연결된 제 3 공간 및 상기 제 2 압력 유입구가 연결된 제 4 공간으로 구획하고, 탄성을 가지며, 자성체가 설치된 감지 멤브레인을 더 포함하고, 상기 센서는 상기 감지 챔버의 외부에 설치되고, 상기 자성체의 자속을 감지하는 자기저항 센서일 수 있다.

상기 자성체는 상기 감지 멤브레인을 가로지르는 방향으로 극성이 배열되고, 상기 자기저항 센서는 상기 자성체의 극성 배열 방향을 기준으로 가운데에 배치될 수 있다.

상기 연결부는, 상기 제 1 압력 토출구와 상기 제 1 압력 유입구를 연결하며 상기 제 1 압력에 의해 유체가 이동되는 제 1 전달 라인, 및 상기 제 2 압력 토출구와 상기 제 2 압력 유입구를 연결하며, 상기 제 2 압력에 의해 유체가 이동되는 제 2 전달 라인을 포함할 수 있다.

상기 연결부는, 상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인의 길이를 조절하는 길이 조절 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 길이 조절 수단은 상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인이 감기고 풀릴 수 있게 회전 가능한 보빈을 포함하고, 상기 보빈은 상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인을 동일한 길이로 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 외부 환경에 의한 오차를 보정(보상: compensation) 및 교정(calibration)함으로써, 정밀한 촉각을 감지할 수 있다.

또한, 단일의 센서를 통해서 복수의 외력을 감지할 수 있다. 이 때, 복수의 외력 간의 차이값을 감지할 수 있으며, 복수의 외력에 대한 방향성을 감지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 수신기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 감지기의 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 감지기에서 촉각을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 수신기에서 촉각을 수신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템이 수중에 적용된 모습을 도시한 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템(10)은 촉각 수신기(50), 촉각 감지기(300), 및 연결부(400)를 포함한다.

촉각 수신기(50)는 촉각을 수신하는 부분으로, 외부 자극, 즉 외력을 통해 압력을 생성하며 복수의 감지부(100, 200)를 포함할 수 있다. 촉각 감지기(300)는 촉각 수신기(50)에 가해진 외력을 전달받아서 외력의 크기를 감지하는 부분으로, 단일의 센서(360)를 포함할 수 있다. 연결부(400)는 촉각 수신기(50)와 촉각 감지기(300)를 연결하는 부분이다.

촉각 감지 시스템(10)은 유체의 압력을 통해 외력을 측정할 수 있는데, 예를 들어, 외력에 의하여 촉각 수신기(50)에서 공압을 생성하고, 생성된 공압은 연결부(300)를 통해 촉각 감지기(300)로 전달되고, 촉각 감지기(300)에서는 전달받은 공압을 통해 외력을 측정할 수 있다. 그러나, 압력을 전달하는 매체는 공기에 한정되는 것은 아니며, 유압, 수압 등 다양한 유체가 압력 전달 매체로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 촉각 수신기(50)와 촉각 감지기(300)가 연결부(400)를 통해 이격되게 구성됨으로써, 원거리나 위험한 환경에서도 촉각을 용이하게 감지할 수 있다. 또한, 촉각 수신기(50)의 복수의 감지부(100, 200)를 통해 외부 환경에 의한 오차를 보정(보상) 및 교정할 수 있고, 복수의 외력을 감지할 수 있다. 이하, 촉각 감지 시스템(20)의 구성을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 수신기의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 촉각 수신기(50)는 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)를 포함한다.

제 1 수신부(100)는 외부의 외력(예를 들어, 제 1 외력, f1)을 수신하는 부분으로, 제 1 수신 챔버(110), 제 1 수신 멤브레인(120), 및 제 1 접촉 부재(130)를 포함할 수 있다.

제 1 수신 챔버(110)는 내부에 제 1 공간(S1)이 형성된 상자 형태로, 일측에 제 1 개방면이 형성되고 타측에는 제 1 압력 토출구(140)가 형성된다. 예를 들어, 도 2를 기준으로, 제 1 수신 챔버(110)는 직육면체 형태를 갖고, 제 1 수신 챔버(110)의 일 측면이 제 1 개방면이 위치되며, 상측에 제 1 압력 토출구(140)가 위치할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 수신 챔버(110)는 원통 등의 다양한 형태를 가질 수 있고, 제 1 개방면과 제 1 압력 토출구(140)의 위치는 제 1 수신 챔버(110)의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 제 1 수신 챔버(110)는 압력에 의해 변형이 생기지 않도록 강성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다.

제 1 수신 멤브레인(120)은 제 1 수신 챔버(110)의 제 1 개방면, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 수신 챔버(110)의 일측면에 위치된 제 1 개방면을 밀폐하도록 구성되며, 탄성 재질로 이루어진다. 일 예로 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다. PDMS의 경우 비교적 피부와 유사한 탄성 계수를 가지며 외부 온도에 변형이 작으므로 수신 멤브레인(120)의 재료로 바람직하다. 그러나 수신 멤브레인(120)의 재질은 이에 한정되지 않고 유연성이 있는 탄성 고분자 중 하나일 수 있다.

제 1 접촉 부재(130)는 제 1 수신 멤브레인(120)의 외면에 구비되어 직접적으로 외력 또는 외부의 촉각 하중을 감지하는 부분이다. 이를 위해 제 1 접촉 부재(130)는 외부 방향으로 돌출되도록 배치될 수 있다. 이 때, 제 1 접촉 부재(130)의 단면적, 보다 상세히는 제 1 접촉 부재(130)에서 제 1 수신 멤브레인(120)에 부착되는 부착면의 면적은 제 1 감지 멤브레인(120)의 면적보다 작게 형성될 수 있다.

제 1 접촉 부재(130)는 고분자 물질이며, 탄성을 가진 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머(elastomer) 계열의 소재를 포함할 수 있다.

제 1 접촉 부재(130)는 제 1 수신 멤브레인(120)의 중심부에 부착되어 제 1 수신 멤브레인(120)과 일체로 형성될 수 있다. 이 때, 제 1 접촉 부재(130)는 유연 재료, 예를 들어 제 1 접촉 부재(130)와 동일한 재질인 엘라스토머 기반의 접착제를 통해 제 1 수신 멤브레인(120)에 접착될 수 있다. 이를 통해, 결합력을 높여서 내구성을 향상시킬 수 있으며, 얇은 제 1 수신 멤브레인(120)의 복원력 저하를 방지할 수 있다.

이상 설명한 제 1 수신부(100)를 통한 외력의 수신 과정을 설명하면, 제 1 접촉 부재(130)를 통해 외력 또는 외부의 촉각 하중(f1)이 인가되고, 이를 제 1 수신 멤브레인(120)에 전달하면 제 1 수신 멤브레인(120)이 제 1 수신 챔버(110)의 내부 방향으로 변형되게 되고, 제 1 수신 챔버(110) 내부의 유체(예를 들어, 공기)가 제 1 압력 토출구(140)을 통해 밀려 나가면서 압력을 발생시킬 수 있다. 이때, 제 1 압력 토출구(140)을 통해 발생되는 압력이 증폭되도록 하우징(110)의 개방면(제 1 개방면)의 단면적(W1)은 제 1 압력 토출구(140)의 단면적(W2)보다 넓게 형성될 수 있다. 개방면의 단면적(W1)이 좁게 형성될 경우 압력이 형성되지 않거나, 압력이 낮게 형성될 수 있기 때문이다.

한편, 제 1 압력 토출구(140)은 연결부(400)의 제 1 전달 라인(410)에 연결되어, 제 1 수신부(100)에서 발생된 압력이 연결부(400)를 통해 촉각 감지기(300)로 전달될 수 있다.

제 2 수신부(200)는 전술한 제 1 수신부(100)와는 별개로 외부의 외력(예를 들어, 제 2 외력, f2)을 수신하는 부분으로, 제 2 수신 챔버(210), 제 2 수신 멤브레인(220) 및 개폐 커버(250)를 포함할 수 있다.

제 2 수신 챔버(210)와 제 2 수신 멤브레인(220)은 앞서 설명한 제 1 수신 챔버(110)와 제 1 수신 멤브레인(120)과 구성이 동일하다. 다만, 실시예에 따르면, 제 1 수신 챔버(110)와 제 2 수신 챔버(210)는 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 제 1 수신 챔버(110)와 제 2 수신 챔버(210)가 일체의 챔버를 형성하면서, 강성을 가진 격벽에 의하여 일체의 챔버가 정의하는 내부 공간이 제 1 공간(S1)과 제 2 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 즉, 하나의 챔버가 격벽에 의하여 제 1 수신 챔버(110)와 제 2 수신 챔버(210)로 나누어질 수 있다.

전술한 제 1 압력 토출구(140)에 대응되도록, 제 2 수신 챔버(210)에는 제 2 압력 토출구(240)가 형성될 수 있다.

제 2 수신부(200)가 제 2 외력(f2)을 선택적으로 수신할 수 있도록, 개폐 커버(250)는 제 2 수신 멤브레인(220)을 외부로부터 개폐 가능하게 이루어진다. 이에 따라, 제 2 외력(f2)이 제 2 수신 멤브레인(220)으로 전달되는 것을 선택적으로 차단할 수 있다. 즉, 개폐 커버(250)가 제 2 수신 멤브레인(220)을 외부로부터 폐쇄하고 있을 때는, 외력이 제 2 수신 멤브레인(220)으로 전달될 수 없다. 반면에, 개폐 커버(250)가 제 2 수신 멤브레인(220)을 외부로부터 개방하고 있을 때는, 외력이 제 2 수신 멤브레인(220)으로 전달될 수 있다. 즉, 제 2 외력(f2)을 선택적으로 수신 또는 차단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 개폐 커버(250)의 개폐를 통해, 제 1 수신부(100)로 전달되는 외력을 촉각 감지기(300)에서 감지할 때, 외부 환경에 의한 오차를 보정 및 교정할 수 있는데, 이에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 제 2 수신부(200)는 제 2 접촉 부재(230)를 더 포함할 수 있다. 제 2 접촉 부재(230)는 제 2 수신 멤브레인(220)의 외면에 구비되어 직접적으로 외력 또는 외부의 촉각 하중을 감지하는 부분이다. 이를 위해 제 2 접촉 부재(230)는 외부 방향으로 돌출되도록 배치될 수 있다.

이 때, 전술한 개폐 커버(250)는 제 2 수신 멤브레인(220)과 함께 제 2 접촉 부재(230)를 외부로부터 개방 및 밀폐시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 수신부(200)는 개폐 커버(250)를 제외하고는 전술한 격벽을 기준으로 제 1 수신부(100)와 대칭 구조를 가질 수 있다. 즉, 제 2 수신 챔버(210), 제 2 수신 멤브레인(220), 제 2 접촉 부재(230) 및 제 2 압력 토출구(240)는 각각 제 1 수신 챔버(110), 제 1 수신 멤브레인(120), 제 1 접촉 부재(130) 및 제 2 압력 토출구(140)와 동일한 크기 및 배치로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)에서 각각 동일한 외력이 수신되었을 때, 동일한 크기의 압력이 연결부(400)를 통해 촉각 감지기(300)로 전달되기 때문에, 촉각 감지기(300)의 센서(360)에서 동일한 외력을 감지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 감지기의 단면도이다.

촉각 감지기(300)는 전술한 촉각 수신기(50)에서 발생된 압력을 전달 받아서, 센서(360)를 통해 압력의 크기를 측정할 수 있다. 특히, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에서 전달받은 압력의 차이를 감지함으로써, 촉각 수신기(50)에서 수신된 외력에서 외부 환경에 의한 영향을 보정 및 교정하여 외력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 중 어느 곳으로 외력이 수신되었는지, 즉 외력의 방향성을 감지할 수 있다.

도 3을 참조하면, 촉각 감지기(300)는 감지 챔버(330), 감지 멤브레인(340), 자성체(350), 및 센서(360)를 포함할 수 있다.

실시예에 따르면, 센서(360)는 단일의 센서이며, 자기 저항 센서일 수 있다. 즉, 촉각 감지기(300)는, 감지 챔버(330) 내부로 전달된 압력에 의하여 감지 멤브레인(340)에 설치된 자성체(350)에 변위가 발생되고, 자성체(350)의 변위에 의한 자속을 자기 저항 센서에서 감지할 수 있다. 한편, 이하 설명에서 자기 저항 센서를 센서와 동일한 도면부호 360으로 표시한다.

감지 챔버(330)는, 내부 공간이 형성되는 상자 형태로, 일측에 제 1 압력 유입구(310)이 형성되고, 타측에 제 2 압력 유입구(320)가 형성될 수 있다. 감지 챔버(330)의 형상은 원통형, 직육면체 등 다양한 형태로 제작될 수 있다. 단지 압력에 의해 변화가 생기지 않도록 강성을 가지면 된다.

감지 챔버(330)의 내부에는 감지 멤브레인(340)이 설치될 수 있으며, 감지 챔버(330)의 내부 공간은 감지 멤브레인(340)을 통해 제 3 공간(S3) 및 제 4 공간(S4)으로 구획될 수 있다. 이 때, 제 3 공간(S3)은 제 1 압력 유입구(310)가 연결되어, 제 1 수신부(100)로부터 압력을 전달받고, 제 4 공간(S4)은 제 2 압력 유입구(320)가 연결되어, 제 2 수신부(200)로부터 압력을 전달받을 수 있다.

전술하였듯이, 감지 멤브레인(340)에는 자성체(350)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 감지 멤브레인(340)이 변형될 때, 자성체(350)의 변위가 발생될 수 있다.

감지 멤브레인(340)은 제 3 공간(S3) 및 제 4 공간(S4)으로 유입되는 압력에 의하여 용이하게 변형되었다가 다시 형태가 복원될 수 있도록 탄성을 가진 재질로 이루어질 수 있다.

실시예에 따르면, 감지 멤브레인(340)은 전달받은 압력에 민감한 신호 감지를 위해 탄성계수(Young's modulus)가 작은 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로 탄성계수가 낮은 에코플렉스(Ecoflex) 재질로 이루어질 수 있다. 한편, 에코플렉스는 PDMS 보다 탄성계수가 작은 재질인 바, 감지 멤브레인(340)의 탄성계수는 촉각 수신기(50)의 제 1 및 제 2 수신 멤브레인(120, 220)보다 작을 수 있다. 이러한 경우, 동일한 외부 압력 인가 시에, 제 1 및 제 2 수신 멤브레인(120, 220)의 재질과 탄성계수가 같은 경우보다 자성체(350)의 변위가 크게 되므로, 보다 민감한 출력신호를 얻을 수 있다. 그러나, 감지 멤브레인(340)의 재질은 이에 한정되지 않고 유연성이 있는 탄성 고분자 중 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.

자성체(350)는 최대의 변위가 발생될 수 있도록 감지 멤브레인(340)의 중심에 설치될 수 있다. 예를 들어, 감지 멤브레인(340)의 중심을 관통하여 설치될 수 있다. 실시예에 따르면, 자성체(350)는 감지 멤브레인(340)을 가로지르는 방향으로 (+)극성과 (-)극성이 배열될 수 있다. 예를 들어, 자성체(350)는 영구자석이고, 감지 멤브레인(340)을 기준으로 일측이 (+)극성이고 타측이 (-)극성일 수 있다.

전술하였듯이, 센서는 단일의 자기 저항 센서(360)일 수 있다. 자기 저항 센서(360)는 전술한 자성체(350)의 변위에 의한 자속을 감지할 수 있다. 자기 저항 센서(360)는 자성체(350)와 마주보게 배치될 수 있으며, 자성체(350)의 변위에 의한 자속을 충분히 감지할 수 있는 거리만큼 자성체(350)와 이격되어 위치될 수 있다. 또한, 효과적인 자속 감지를 위하여, 자기 저항 센서(360)는 자성체(350)의 극성 배열 방향을 기준으로 자성체(350)의 중심이 연장되는 선상에 배치될 수 있다.

자기 저항 센서(360)는 압력의 유동을 방해하지 않도록 감지 챔버(330)의 외부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 촉각 감지기(300)는 감지 챔버(330)와 연결된 별도의 하우징을 더 구비할 수 있으며, 하우징 내부에 자기 저항 센서(360)가 설치될 수 있다.

도 3을 참조하여 촉각 감지기(300)에서 촉각을 측정하는 과정을 간단히 설명하면, 제 1 전달 라인(410)을 통해 제 1 수신부(100)로부터 전달된 압력은 제 1 압력 유입구(310)를 통해 감지 챔버(330)의 제 3 공간(S3)으로 유입된다. 제 3 공간(S3)으로 유입된 압력에 의하여 감지 멤브레인(340)은 제 4 공간(S4) 방향으로 밀려나는 형태로 변형되고, 감지 멤브레인(340)의 변형에 따라 자성체(350)의 변위가 발생된다. 자성체(350)의 변위에 의하여 자기 저항 센서(360)에서는 자속을 감지하게 되고, 자기 저항 센서(360)에서 감지된 자속에 따른 출력 전압(자기저항)에 따라 외력(제 1 수신부에 가해진 외력, f1)의 세기를 산출하게 된다. 반대로, 제 2 수신부(200)에 외력(f2)이 가해진 경우에도, 전술한 과정과 동일하게 외력(f2)의 세기를 산출할 수 있다.

이하, 도면을 달리하여, 각 감지부(300)에서 촉각을 측정하는 방법을 상세히 설명한다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 감지기에서 촉각을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4 내지 도 6에서는 자성체(350)의 자기력선과, 자성체(350)와 자기 저항 센서(360) 간의 위치 관계를 개략적으로 도시하였다. 도 7에서는 자기장 세기에 대한 자기 저항 센서(360)의 신호값을 도시한 그래프이다.

촉각 수신기(50)에 외력이 수신되지 않는 경우에는 자성체(350)에 변위가 발생하지 않으므로, 자기 저항 센서(360)에서는 자속이 감지되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 자성체(350)는 변위 방향으로 극성이 배열되고, 자기 저항 센서(360)와 나란하게 배열될 수 있다. 이 때, 도 4를 기준으로, x축 방향으로 자성체(350)과 자기 저항 센서(360)가 동일 위치에 배열될 수 있다.

실시예에 따르면, 자기 저항 센서(360)는 y축 방향으로의 자속을 감지할 수 있는데(+y축 방향은 +값 감지, -y축 방향은 -값 감지), 도 4에 도시된 것처럼, 자성체(350)와 자기 저항 센서(360)가 동일 위치에 배열된 경우에는 자기 저항 센서(360)에서는 자속이 감지되지 않으므로, 촉각 수신기(50)에 외력이 수신되지 않았음을 확인할 수 있다.

도 5를 참고하면, 자성체(350)가 -x축 방향으로 변위가 발생한 경우, 자기 저항 센서(360)에서는 +값의 자속을 감지할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 제 1 수신부(100)에서 외력을 수신할 때 자기 저항 센서(360)에서 +값의 자속을 감지할 수 있다. 또는, 제 1 수신부(100)에서 제 2 수신부(200) 보다 큰 외력을 수신할 때, 자기 저항 센서(360)에서 +값의 자속을 감지할 수 있다.

도 6을 참고하면, 자성체(350)가 +x축 방향으로 변위가 발생한 경우, 자기 저항 센서(360)에서는 -값의 자속을 감지할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 제 2 수신부(200)에서 외력을 수신할 때 자기 저항 센서(360)에서 -값의 자속을 감지할 수 있다. 또는, 제 2 수신부(200)에서 제 1 수신부(100) 보다 큰 외력을 수신할 때, 자기 저항 센서(360)에서 -값의 자속을 감지할 수 있다.

도 7을 참고하면, 자기 저항 센서(360)에서 감지하는 신호에 따라 자기장의 세기값, 즉 촉각 수신기(50)에서 수신되는 외력의 크기 또는 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 간의 외력의 차이값(또는 차압)을 감지할 수 있다. 또한, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 중 하나에서만 외력이 수신된 경우라면, 자기 저항 센서(360)에서 감지된 신호가 + 값 혹은 - 값인지를 통해, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 중 어느 쪽에서 외력이 수신되었는지 확인할 수 있으므로, 외력의 방향성을 측정할 수 있다.

이하, 도면을 바꾸어 촉각 수신기(50)의 구성을 통해 외력이 수신되는 과정을 설명한다. 도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템의 촉각 수신기에서 촉각을 수신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템(10)은, 외부 환경에 의한 오차를 보정 및 교정함으로써, 정밀한 촉각을 감지할 수 있다.

도 8을 참조하면, 촉각 수신기(50)가 수중 등의 외부 환경에 의한 압력(이하 제 2 외력, f2)이 작용하는 상황에 위치한 경우, 제 2 수신부(200)에서는 개폐 커버(250)를 통해 제 2 외력(f2)이 차단되어, 제 2 외력(f2)을 수신할 수 없다. 이 때, 제 1 수신부(100)에 제 1 외력(f1)이 가해진 경우, 제 1 수신부(100)에서는 제 1 외력(f1)뿐 만 아니라, 외부 환경에 의한 제 2 외력(f2)이 더해진 외력이 수신되게 된다. 따라서, 촉각 감지기(300)에서 측정되는 촉각은 제 1 외력(f1)이 아닌 제 1 외력과 제 2 외력이 더해진 값(f1+f2)이 측정되는 문제가 생긴다.

이러한 경우, 본 발명의 실시예에 따르면, 개폐 커버(250)를 개방함으로써, 외부 환경에 의한 오차를 보정할 수 있다.

도 9를 참조하면, 제 2 수신부(200)의 개폐 커버(250)를 개방할 경우, 제 2 수신부(200)에서 외부 환경에 의한 제 2 외력(f2)을 수신하게 되고, 제 1 수신부(100)에서도 동일한 제 2 외력(f2)을 수신하게 된다. 이 때, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에서 각각 수신된 외력의 차이값을 측정하는 촉각 감지기(300)에서는 0의 값을 감지하게 된다. 이에 따라, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)는 외력(압력) 평형 상태를 유지할 수 있다. 즉, 개폐 커버(250)를 개방함으로써, 외부 환경에 의한 영향을 보정(compensation)할 수 있다.

이어서, 도 10을 참조하면, 제 2 수신부(200)의 개폐 커버(250)를 폐쇄할 경우, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 간의 외력 차이값은 존재하지 않게 되므로, 제 1 수신부(100)에 제 1 외력(f1)이 가해질 경우, 외부 환경에 의한 제 2 외력(f2)이 배제된 정확한 제 1 외력(f1) 만이 촉각 감지기(300)에서 측정될 수가 있다. 즉, 개폐 커버(250)를 폐쇄함으로써, 외부 환경에 의한 영향을 교정(calibration)할 수 있다.

즉, 제 1 수신부(100)에서 촉각을 수신하고자 할 때, 먼저 개폐 커버(250)를 개방하는 과정을 통해서 외부 환경에 의한 외력이 촉각 감지기(300)에 측정되는 것을 보정할 수 있고, 이후 제 1 수신부(100)에서 촉각을 수신하게 되면, 외부 환경에 의한 외력이 배제된, 즉 교정된 촉각을 감지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 촉각 수신기(50)는 복수의 수신부, 예를 들어, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에서 모두 촉각을 수신할 수 있기 때문에, 복수의 외력 간의 차이값을 감지할 수 있다.

도 11을 참조하면, 제 2 수신부(200)에서 개폐 커버(250)를 개방한 상태일 경우, 제 1 수신부(100)에서는 제 1 외력(f1)을 수신할 수 있고, 제 2 수신부(200)에서는 제 1 외력(f1)과 다른 외력(f3)을 수신할 수 있다. 이 때, 개폐 커버(250)가 개방된 상태이므로, 외부 환경에 의한 외력은 상쇄될 수 있다. 즉, 외부 환경에 의한 외력은 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에 공통적으로 수신되기 때문에, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에서 각각 수신된 외력의 차이값을 측정하는 촉각 감지기(300)에서는 외부 환경에 의한 외력이 감지되지 않는다.

즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200)에서 각각 촉각을 수신할 수 있고, 수신되는 촉각 간의 차이값을 측정할 수 있다. 또한, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 중 한 곳에서만 촉각을 수신한 경우, 어느 곳에서 촉각이 수신되는지 촉각의 방향성을 구별할 수 있다. 또한, 제 1 수신부(100)와 제 2 수신부(200) 모두에서 촉각을 수신한 경우, 촉각의 상대적인 크기를 구별할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템이 수중에 적용된 모습을 도시한 개략도이다.

본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템(10)은 정밀한 촉각을 감지할 수 없는 외부 환경에서도 정밀한 촉각 감지가 가능하다.

도 12를 참조하면, 촉각 수신기(50)와 촉각 감지기(300)는 커넥터(400)에 의해 원거리 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 수중(W)에서 촉각을 수신해야 하는 경우에, 촉각 수신기(50)를 수중(W)에 배치하고, 센서가 구비된 촉각 감지기(300)는 외부 환경의 영향을 받지 않는 안전한 장소에 배치할 수 있다.

이 때, 전술하였듯이, 촉각 수신기(50)에서는 외부(수중) 환경에 의한 오차를 보정 및 교정하여, 외력이 작용되는 환경에서도 정밀한 촉각을 수신할 수 있고, 외부 환경의 영향을 받지 않는 곳에 위치된 촉각 감지기(300)에서는 전달받은 정밀한 촉각을 측정할 수가 있다.

촉각 수신기(50)와 촉각 감지기(300) 간의 거리는 커넥터(400)를 통해 조절될 수 있다.

도 11을 참조하면, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)의 길이를 조절함으로써, 촉각 수신기(50)와 촉각 감지기(300) 간의 거리를 조절할 수 있다. 예를 들어, 촉각 수신기(50)의 수중 위치를 조절할 수 있다.

실시예에 따르면, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)은 길이 조절 수단에 의해 길이가 조절될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)은 보빈(430)에 감겨져 있을 수 있으며, 보빈(430)을 회전시킴으로써, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)을 보빈(430)에 감거나 풀 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 길이 조절 수단에 의해, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)의 길이를 용이하게 조절할 수 있다.

실시예에 따르면, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)의 길이는 동일한 길이로 조절될 수 있다. 전술하였듯이, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)은 각각 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)에 연결되며, 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)는 일체로 이루어질 수 있다. 또한, 촉각 감지기(300)에서는 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)에서 수신되는 촉각의 차이값을 측정하기 때문에, 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)에 가해지는 외부 환경에 의한 외력이 동일할 수록 정밀한 촉각을 수신할 수 있다. 이에 따라, 제 1 전달 라인(410) 및 제 2 전달 라인(420)의 길이는 동일한 길이로 조절되도록 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 촉각 감지 시스템(10)은 촉각을 수신하는 촉각 수신기(50)와 센서가 구비된 촉각 감지기(300)가 이격되어 구성되므로, 수중이나 방사선 오염 구역 등의 극한 환경에서 촉각을 수신한 촉각 수신기(50)가 오염되거나 손상되었을 경우, 촉각 수신기(50) 만을 교체함으로써 유지 보수가 용이한 장점이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 수신부(200)에 구비된 개폐 커버(250)의 개폐를 통해 외부 환경에 의한 오차를 보정 및 교정함으로써, 제 1 수신부(100)에서 수신되는 촉각에 대하여 정밀하게 감지할 수 있다. 또한, 촉각 감지기(300)에 단일의 센서 만을 구비하더라도, 제 1 수신부(100) 및 제 2 수신부(200)에서 각각 수신되는 복수의 외력을 함께 감지할 수 있다. 이 때, 복수의 외력 간의 차이값을 감지할 수 있으며, 복수의 외력에 대한 방향성도 감지할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 촉각 감지 시스템 50 촉각 수신기
100 제 1 수신부 110 제 1 수신 챔버
120 제 2 수신 멤브레인 130 제 1 접촉 부재
150 격벽 200 제 2 수신부
210 제 2 수신 챔버 220 제 2 수신 멤브레인
230 제 2 접촉 부재 250 개폐 커버
300 촉각 감지기 310 제 1 압력 유입구
320 제 2 압력 유입구 330 감지 챔버
340 감지 멤브레인 350 자성체
360 자기 저항 센서 400 연결부
410 제 1 전달 라인 420 제 2 전달 라인
430 보빈

Claims

제 1 외력에 의해 제 1 압력이 발생되는 제 1 수신부, 및 제 2 외력에 의해 제 2 압력이 발생되는 제 2 수신부를 포함하는 촉각 수신기;
상기 촉각 수신기와 이격 배치되며, 상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력을 전달 받아서 상기 제 1 외력 및 상기 제 2 외력을 감지하는 촉각 감지기; 및
상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력이 상기 촉각 감지기에 전달되도록 상기 촉각 수신기와 상기 촉각 감지기 사이를 연결하는 연결부;
를 포함하며,
상기 제 2 수신부는 상기 제 2 외력을 선택적으로 수신하는, 촉각 감지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 수신부는,
내부에 제 1 공간을 가지고, 일측에 제 1 개방면이 형성되며, 타측에 제 1 압력 토출구가 형성된 제 1 수신 챔버;
상기 제 1 개방면을 밀폐하며 탄성을 가지는 제 1 수신 멤브레인; 및
접촉을 통해 상기 제 1 외력을 수신하도록 상기 제 1 수신 멤브레인의 외면에 부착되어 외부로 돌출된 제 1 접촉 부재를 포함하는, 촉각 감지 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 수신부는,
상기 제 1 공간과 동일한 부피의 제 2 공간을 가지고, 일측에 제 2 개방면이 형성되며, 타측에 제 2 압력 토출구가 형성된 제 2 수신 챔버;
상기 제 2 개방면을 밀폐하고 탄성을 가지는 제 2 수신 멤브레인; 및
상기 제 2 수신 멤브레인을 외부로부터 개폐 가능한 개폐 커버를 포함하는, 촉각 감지 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 수신 챔버 및 상기 제 2 수신 챔버는
일체로 형성되고, 강성을 가진 격벽에 의하여 상기 제 1 공간과 상기 제 2 공간이 구획되는, 촉각 감지 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제 2 수신부는, 상기 제 2 수신 멤브레인의 외면에 부착되어 외부로 돌출된 제 2 접촉 부재를 더 포함하고,
상기 개폐 커버는, 상기 제 2 접촉 부재를 외부로부터 개방 및 밀폐시키는, 촉각 감지 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 촉각 감지기는
내부 공간을 가지되, 일측에 상기 제 1 압력 토출구와 연통되는 제 1 압력 유입구가 형성되고, 타측에 상기 제 2 압력 토출구와 연통되는 제 2 압력 유입구가 형성되는 감지 챔버; 및
상기 내부 공간으로 유입된 상기 제 1 압력 및 제 2 압력을 동시에 측정하는 단일의 센서를 포함하는, 촉각 감지 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 촉각 감지기는,
상기 감지 챔버의 내부 공간을 상기 제 1 압력 유입구가 연결된 제 3 공간 및 상기 제 2 압력 유입구가 연결된 제 4 공간으로 구획하고, 탄성을 가지며, 자성체가 설치된 감지 멤브레인을 더 포함하고,
상기 센서는
상기 감지 챔버의 외부에 설치되고, 상기 자성체의 자속을 감지하는 자기저항 센서인, 촉각 감지 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 자성체는 상기 감지 멤브레인을 가로지르는 방향으로 극성이 배열되고,
상기 자기저항 센서는 상기 자성체의 극성 배열 방향을 기준으로 가운데에 배치되는, 촉각 감지 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 연결부는,
상기 제 1 압력 토출구와 상기 제 1 압력 유입구를 연결하며 상기 제 1 압력에 의해 유체가 이동되는 제 1 전달 라인, 및
상기 제 2 압력 토출구와 상기 제 2 압력 유입구를 연결하며, 상기 제 2 압력에 의해 유체가 이동되는 제 2 전달 라인
을 포함하는, 촉각 감지 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 연결부는,
상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인의 길이를 조절하는 길이 조절 수단을 더 포함하는, 촉각 감지 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 길이 조절 수단은 상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인이 감기고 풀릴 수 있게 회전 가능한 보빈을 포함하고,
상기 보빈은 상기 제 1 전달 라인 및 상기 제 2 전달 라인을 동일한 길이로 조절하는, 촉각 감지 시스템.